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        深圳貝特瑞:納米技術(shù)引入鋰電池材料將帶來飛躍


        來源:

        標簽鋰電池
        深圳貝特瑞新能源材料股份有限公司研發(fā)部的項目經(jīng)理李斌在第四屆華南鋰電(國際)高層技術(shù)論壇上演講的文字實錄:

          先生們、女士們下午好!非常榮幸有這個機會站在這里就我們納米材料在鋰電池的新應(yīng)用發(fā)展在這里作一個簡要的交流和分享。作為鋰離子電池,在上個世紀90年代面世以來,經(jīng)過我們20幾年的一個發(fā)展,它取得了一個在各行各業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)給我們的生活已經(jīng)息息相關(guān)。主要從目前的技術(shù)發(fā)展和向高容量、高功率、高安全性的一個發(fā)展,所以說這方面對于我們的材料制造公司提出了更多的一些要求。就鋰離子電池而言,它主要是由正負極材料、黏結(jié)劑、電解質(zhì)等幾大材料體系組成的,對于一個鋰離子電池材料來說材料的制造工藝、材料的性能,對于鋰離子電池當(dāng)中起著至關(guān)重要的作用。




          就目前來說,我們了解的一個信息,在目前的這種電池所采用的材料主要是一個是NCA、NCM和錳酸鋰、磷酸鐵鋰等等,因為這個面臨著現(xiàn)在鋰離子電池不斷地拓展,對材料的發(fā)展確實提出了一個很大的挑戰(zhàn)。所以說目前對于鋰離子電池的正負極材料應(yīng)用的推出、研究、開發(fā)越來越廣泛,就如現(xiàn)在正極材料目前開發(fā)比較多的一個是多元復(fù)合正極材料,還有其他的一些研究已經(jīng)在世界的研究非常熱門,這方面也取得了一些突破性的進展。負極材料方面,現(xiàn)在主要是一個LTO和硅基和硒基材料的研究發(fā)展和硒硅復(fù)合材料的一些發(fā)展。目前鋰離子電池的應(yīng)用逐漸由消費電子的應(yīng)用推廣到動力電池和一些衛(wèi)星上的一些使用的電池,要滿足這種現(xiàn)狀的需要我們在材料上提出了一個更大的挑戰(zhàn)和機遇,我們一直在尋找滿足未來能源儲備的一個材料儲備的方向,我們在想我們的材料制造工藝路在何妨,其實一直就在我們的身邊,如同鋰離子電池面世以來,上世紀90年代,一個由IBM排列出這三個字幕以來開啟了納米技術(shù)的一個先河,隨著20多年來納米技術(shù)滲透到鋰離子電池制備技術(shù)的發(fā)展,制備納米纖維、納米管、納米粉體和納米材料技術(shù)越來越成熟,我們說下一個鋰離子電池的制備技術(shù)在哪,如何尋求鋰離子電池材料的突破?目前我們貝特瑞從事了十幾年的研究發(fā)現(xiàn),利用一些納米技術(shù)來制備材料的話它有一些特殊的很有異議的發(fā)現(xiàn),能夠解決目前出現(xiàn)的一些鋰離子電池安全性能、循環(huán)壽命的一些問題。

          大家現(xiàn)在也討論得非常熱的,現(xiàn)在因為鋰離子電池的安全,負極材料由于它所采用的還是以石墨為主,也是涉及到一個安全的問題,跟電解液體系反應(yīng)的時候,它有可能在表面材料形成一種膜,跟鋰電的電位差不多的,跟膜不穩(wěn)定的情況下造成一些爆炸,所以對負極材料的研究越來越熱,這在我們的公司做了幾年的研究,在硒硅做了一定的工作,錫合金跟鋰反應(yīng)形成7個不同項目的鋰合金,在反應(yīng)的過程當(dāng)中會有不同程度的膨脹,會達到300%的體積的膨脹,目前的技術(shù)做成納米的粉體或者是6級的粉體應(yīng)用在材料當(dāng)中的話,可能會造成在循環(huán)過程當(dāng)中一個粉體的粉化,最終造成鋰離子電池的失效。所以說這方面要解決一方面要滿足一個現(xiàn)代高能量、高安全性電池的要求,同時也要克服這個材料本身的一個問題的情況下面,我們采取什么樣的方法去克服這個困難呢?這是發(fā)表在08年一個先進材料上的一篇文章,可以說給了我們一個很好的思路。它是采用了一種液向的,開始用矽酸哪包覆氧化硅做成一個復(fù)合的球體,然后作出一個反應(yīng)然后做出一個錫球的核心,然后通過做成一個表面層炭的包覆,可以看到他在100周的循環(huán)之下他的能量能夠保持500毫安時每克,這個技術(shù)當(dāng)時也給了我們一個方向,我們的錫基材料如何去克服它的一個面臨的困難。

          同樣的,硅基材料具有每毫安時4千的容量發(fā)揮,但是它很容易造成一個材料的失效,這樣采用目前的研究這是08年斯坦福的文章,他做成納米硅線正式測試下他在一百周的循環(huán)能夠保持1000左右。材料面臨錫硅,大家不管如何對復(fù)合材料如何研究進入了一個白熱化的競爭時代,希望找到更合適的一種方法克服目前錫硅材料的膨化問題。他膨脹是一種有效體積的膨脹,做成多孔體系的材料,他做成一個聚合物的形式,通過一種熱處理的過程做成一種等大球的一種多孔的硅基材料,這個材料從理論上說,它主要是提供一個膨脹的空間,在一定的程度上在循環(huán)上能夠緩解鋰跟硅反應(yīng)造成的焚化的作用。

          有可能下一個負極材料,因為動力電池的氧化鈦,他有很好的性能,他是一個0異變的材料,他的負載量比較低,我們可能需要大倍率地充放電,這可能跟他的通道、跟他的傳輸速度是有關(guān)的,通過這種做成一種納米管的形式正極用高電位的錳組成了一個電極,碳酸鋰有一個缺點是電位比較高,他可能是0.3左右,動力電池儲能這一塊給我們提供了一個方案,我們建太陽能一樣的儲能還是以鉛酸電池為主。我們?nèi)绾巫龅綆浊Т蔚难h(huán)保持容量,這個設(shè)計是非常有意義,而且對材料的發(fā)展起到一個很好的啟示。目前材料的體系不斷地推陳出新。

          也有鎳錫本身的膨脹達到300%,能不能在我們的硅或者是錫里面植入一些副活性金屬來減少它的膨脹和焚化的效果,目前也有人采取一種鎳錫合金來做,鎳本身是非活性的,它跟鋰反應(yīng)的時候能夠反應(yīng)成一個支持的網(wǎng)絡(luò),在一定的程度上能夠抑制鋰合金化帶來的膨脹問題,通過一個納米的技術(shù)把它做成一個納米的粉體,一方面減少有效的體積膨脹。這個材料在測試也是發(fā)表在一個08年的一篇文獻上,所以它取得的結(jié)果對我們很有啟發(fā)。

          這對我們來說是很有意義的一個事情,今年發(fā)表在Nature的一篇文章,是一個斯坦佛的教授做的,動力電池大倍率放電的情況之下,他的離子電導(dǎo)非常小的情況下如何擴散他的電的路徑,他通過一個納米做成納米粉體,采用190情況下循環(huán)100的容量保持了一個120的容量,這突破了一個磷酸鐵鋰的局限。我們目前所了解的材料所看的話,我們?nèi)绾稳?yīng)對目前對鋰離子電池需求的一個發(fā)展,如何去解決,從這上面看我們通過一些研究在納米技術(shù)的一個成熟而植入到我們一個鋰電池征服材料的制備過程當(dāng)中,它可以在一定程度上給我們提供了一個很好的前景如何去克服。

          所以說,我相信這需要大家的努力,不斷地開拓,我相信納米技術(shù)如果引入到我們的鋰離子電池材料當(dāng)中來的話,將給我們帶來一個鋰電池正極材料一個飛躍性的發(fā)展。

          下面我簡單介紹一下我們公司關(guān)于一個納米材料的一個研究和開發(fā)的情況,目前我們公司主要分成量大塊,一塊是深圳區(qū)的公司,還有一個是在天津的公司,主要以動力電池開發(fā)為主的一個場所。這是我們一款新推出的新發(fā)展出來的研究路向,大家都知道在負極材料的續(xù)放過程當(dāng)中會在表面形成一種SM,這個表面的形態(tài)如何控制,如何跟電解液的匹配更符合,同時在后期的循環(huán)保護會更安全、更穩(wěn)定。我們采用的是球形石墨的情況下做一層包覆,然后采用一種處理方式做到在表面包覆一層納米的非基石墨在里面,他一方面改變了跟電解液匹配的問題,這一款材料我們現(xiàn)在測試的結(jié)果是在一定的程度上提高它的循環(huán)能力,同時它在安全性方面得到了一個很大的改善。它在他的效率上也得到了一個很好的提高。目前這個能夠做到355左右。

          這是我們的另外款的一個負極材料的開發(fā),大家都知道一個動力電池的發(fā)展,動力電池運用講究一個大倍率,如何讓更多的鋰離子快速進入一個材料的合成反應(yīng),這個方式其實大家可以想一想很簡單,你如何一個是把它的粉體做細,一個是通過它的一些孔在如何讓更快速、更多地去反應(yīng)。我們就采用一種納米造孔的情況下,在一個球體上面植入一種聚合物、有機物,然后經(jīng)過一個熱處理,能夠有效地在材料中間造孔,而在一定的程度上提高鋰離子的嵌入通道,增加他的擴散途徑。目前因為通過這樣的一個改進,一方面提高了他的一個容量,在所有的容量上它能夠做到360以上,它的效率能夠做到90%。

          所以對于我們來說一個負極材料的研究,目前大家都知道現(xiàn)在一個負極材料還是以石墨為主,要不然就是人造石墨,要不然就是天然石墨。如何研究一個單單的原子炭,談本身在我們應(yīng)用非常廣、了解透,炭的本身是各種各樣的,如何去了解這個。目前的技術(shù)我們現(xiàn)在能夠做到一個球形化,在一定程度上提高了它的一個加工性能,同時它帶來的是因為它表面的光滑,無論是對一個材料的發(fā)展來看,而且材料在反應(yīng)的過程當(dāng)中主要是跟一個界面的反應(yīng)。所以我們的一個思路就是你如何改變它的界面,如何改變它的形貌來提高材料的應(yīng)用。這就是我們針對負極材料做了兩個不同角度采用納米的思想,如何在這個處理負極材料的表面形貌跟他的表面性能這一塊的一個初步的一些實驗。

          這是另外款正極材料的一個納米材料的鑲嵌材料,目前的一些動力材料本身有它的一些優(yōu)越性,可能它由于它離子的穩(wěn)定性和安全性,但是它的材料有一些本身的缺陷,比如電導(dǎo)率、電子傳導(dǎo)率比較低,如何彌補一個材料的不足之處,我們需要采用一些更多的方式跟渠道如何去提高。所以我們通過一種目前采用的一個技術(shù)作為一種鑲嵌,比如說你采用一種高導(dǎo)電的一種材料鑲嵌在你的材料里面,或者說通過一種化學(xué)生長的方式隨著你在材料過程當(dāng)中讓它更生更長,有效地彌補一個單材料的缺陷地方。我們一直在想,世界上任何的東西都不是完美的,都會有一個缺陷,我們要做的就是用兩個的東西復(fù)合,不同的工藝去彌補各個材料的不足之處,希望做到1 1>2。這個材料的數(shù)據(jù)它在200周,大于85%的循環(huán),他首先是采用一個液相做成了納米的粉體,他的容量在150—165,這是通過一定納米的制備改善了一個材料的形貌,同時改變了一個材料導(dǎo)電性能的這一塊。

          下面是我們一個N系的多元正極的材料,目前我們采用更多的是以鈷酸鋰或者是單純的錳酸鋰為主,這種材料他目前要應(yīng)用在我們的動力電池方面一個是他的截止電壓太低不安全,目前這些材料對這些材料的發(fā)展提出了更多不同的材料體系,比如多元、二元、三元的材料,比如N系的材料都取得了一定的成果和面世。我們通過液相的方式和前期的處理再控制一次材料的生長,再做一次孔的堆積,在一定的程度上首次放電容量可以達到160—165,效率能夠大于89%。特別是它的循環(huán)性能上,因為通過改善它的顆粒度,以及它的形貌,在500周的循環(huán)依然還可以保持90%以上。這是一個簡單的成品電池的測試結(jié)果,在350壓實的情況下200周的容率保持率在97%以上。

          大家非常關(guān)心動力電池的硬發(fā)展,我們公司在電池材料的研究經(jīng)過了幾十年的發(fā)展,我們?nèi)绾螒?yīng)對、如何迎接這個挑戰(zhàn),如何去做,大家都知道目前的石墨他是一個單通道,他是承接一個鋰的擴散,如何滿足動力電池的高充高放、安全性的要求?目前采用的方向我們有量個工作,一個是CMB跟硬炭,你做成一個球以后它的表面是多通道的,它是四面八方鋰離子的擴散的途徑,這是一個動力電池應(yīng)用非常有意思的地方,做成求的時候表面有多通道,克服了目前單純的鋰離子的嵌入。還有一個是他的硬炭方面的負極材料的發(fā)展,我們用的一個是人造的還有一個是天然的,硬碳有一些優(yōu)越性它的原石墨化,非石墨化更容易在電力電池的應(yīng)用和充放的穩(wěn)定和安全。

          我們大家都知道納米材料本身具有一些特殊的物化性,體現(xiàn)在他的反應(yīng)速度、電子輸送和離子流的方面,因此將這種納米技術(shù)植入到我們的鋰離子電池當(dāng)中來可以極大地提高材料的性能。但是納米材料也有不同的應(yīng)用方向,我們認為在一個納米跟亞微米的情況下將是一個很好的發(fā)展方向,我相信在動力電池的材料制備上也是不例外的。但是我們同時要認識到納米材料的不足之處,它并不是萬能的,我們希望它帶來更多的副反應(yīng)的可能,我們希望將納米材料體現(xiàn)一個用這種思想在一個材料的微觀設(shè)計上用這些思想去設(shè)計他,他用的制造體現(xiàn)在材料微觀技術(shù)提升鋰離子電池材料的發(fā)展。謝謝我們的團隊,也謝謝各位對我們貝特瑞的一如既往地支持。謝謝!

          【現(xiàn)場提問】我問兩個問題,第一個問題是你剛才介紹了很多非炭負極的一些情況,我不知道貝特瑞是不是也在做這方面的工作。第二個問題,你剛才已經(jīng)提到了像硬碳的這些材料,你們有沒有應(yīng)用的實例?謝謝!

          【李斌】這個方向是因為我們一個要面臨未來的一個方向,這是我們的一個戰(zhàn)略目標,一直在從事著一個開發(fā)。我們?yōu)槭裁匆捎眠@樣的一種思想?就是在我們研究開發(fā)中才發(fā)現(xiàn)這個問題的,為什么我們要用這種方法?我們做材料的話,在負極整個材料的加工工藝里面已經(jīng)做得非常成熟,就是因為目前的技術(shù)不能滿足于動力電池的發(fā)展,所以才發(fā)現(xiàn)通過這種文獻來給我們一個啟示,這也是我們一直在開發(fā)這種材料,而且在一定程度上已經(jīng)取得了一些進展。

          第二個問題,關(guān)于硬碳方面,確實在應(yīng)用方面我們只是做一些產(chǎn)品的推廣,有可能是一些大公司有跟我們合作的已經(jīng)在測試,謝謝!
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